超硬材料網(wǎng)

       為了在2050年實現(xiàn)全球碳中和的目標，必須對電子材料進行根本性改變，以創(chuàng)建更可靠、更具彈性的電力網(wǎng)絡，金剛石可能就是實現(xiàn)社會電氣化所需的解決方案。

       美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的研究人員開發(fā)了一種使用金剛石制成的半導體器件，與之前報道的金剛石器件相比，其擊穿電壓和泄漏電流具有最高的性能。隨著世界向可再生能源過渡，這種器件將實現(xiàn)所需的更高效的技術。相關研究成果以“Diamond p-Type Lateral Schottky Barrier Diodes With High Breakdown Voltage (4612 V at 0.01 mA/Mm)”為題，發(fā)表于《IEEE Electron Device Letters》雜志。

金剛石半導體器件（4mm×4mm）圖源：格蘭杰工程學院

       據(jù)估計，目前世界上50%的電力由功率器件控制，預計十年之內將增加到80%。到2050年,電力需求將增加50%。

       根據(jù)美國國家科學院、工程和醫(yī)學院的一份新報告：“對于成功實現(xiàn)能源過渡的最大技術危險，就是國家未能選址、現(xiàn)代化并建設電力網(wǎng)。如果沒有增加輸電能力，可再生能源的部署將會延遲，可能至少會暫時增加化石燃料排放，阻礙國家實現(xiàn)減排目標。”

       “為滿足這些電力需求并使電力網(wǎng)絡現(xiàn)代化，很重要的一點是我們必須從傳統(tǒng)材料（如硅）轉向今天正在被采用的新材料（如碳化硅）和下一代半導體材料——超寬帶隙材料（如氮化鋁、金剛石和相關化合物）。”領導該研究的電氣與計算機工程教授Can Bayram和研究生Zhuoran Han說。

       超越硅

       大多數(shù)半導體都是由硅制造的，截至目前，已滿足了社會的電氣需求。但正如Bayram指出的那樣：“我們希望確保資源足夠供所有人使用，需求正在不斷改變。現(xiàn)在，我們正在使用越來越多的帶寬，我們正在創(chuàng)建更多的數(shù)據(jù)（帶來更多的存儲空間），我們正在使用更多的功率、更多的電和更多的能源。問題是，能否在不產(chǎn)生更多能源或建設更多發(fā)電廠之外，使這一切更加高效？”

       為什么選擇金剛石？

       金剛石是一種具有最高導熱率的超寬帶隙半導體，導熱率是材料傳遞熱量的能力。由于這些性質，金剛石半導體器件可以在更高的電壓和電流下運行（使用更少的材料），并且仍然能夠在不降低電性能的情況下散熱。

       相比傳統(tǒng)的半導體材料，例如硅，要建立一個需要高電流和高電壓的電力網(wǎng)絡，使太陽能電池板和風力渦輪等應用更加高效，需要一種沒有熱限制的技術。這就是金剛石的用武之地。

       盡管很多人把金剛石與昂貴的珠寶聯(lián)系在一起，但在實驗室里，可以以更經(jīng)濟、更可持續(xù)地方法制造金剛石，使其成為一種可行且重要的半導體替代品。天然鉆石在地球深處在巨大的壓力和熱量下形成，但由于它本質上只是碳，因此人工合成的鉆石可以在幾周內就完成制造，而且還能減少百倍的碳排放量。

       在這項工作中，Bayram和Han展示了他們的金剛石器件可以承受約5千伏的高電壓，盡管電壓受到測量設置的限制而非來自器件本身。理論上，該器件可以承受高達9千伏的電壓，這也是金剛石器件報告的最高電壓。除了最高的擊穿電壓外，該器件還表現(xiàn)出最低的漏電流，泄漏電流影響器件的整體效率和可靠性。

       Han說：“我們構建了一種更適合未來電力網(wǎng)絡和其他電力應用的高功率、高電壓應用的電子器件。并且我們在超寬帶隙材料——合成金剛石上構建了這個器件，它有望實現(xiàn)更好的效率和性能。希望我們將繼續(xù)優(yōu)化這個器件和其他配置，以便接近金剛石材料潛在性能的極限。”

       圖文導讀

圖1. 金剛石橫向 SBD 的外延和潔凈室微加工步驟。(a)p-漂移層外延生長；(b)p+接觸層選擇性生長；(c)歐姆接觸沉積；(d)Al2O3場板形成；(e)肖特基接觸沉積；(f)使用視場板制造的金剛石橫向SBD的俯視顯微鏡圖像。

圖2. (a)室溫下，帶和不帶場板(FP)的金剛石橫向SBD的正向J -V特性，以半對數(shù)和線性標度表示；虛線表示計算出的空間電荷限制傳導(SCLC)J-V 關系。(b)200℃時，帶和不帶FP的金剛石橫向SBD的正向J-V 特性，采用半對數(shù)和線性標度。

圖3. 帶和不帶 FP 的金剛石橫向 SBD 的室溫反向漏電J -V 特性。

圖5. 所制造的橫向 SBD 與之前報道的金剛石功率器件（包括橫向 MESFET、MOSFET 和結 FET，以及室溫下的偽垂直和垂直 SBD）進行比較的基準。

論文原文：10.1109/LED.2023.3310910